Michael FARADAY (1791-1867) Der Engländer Michael FARADAY studierte die Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen und Magneten und entdeckte dabei die elektromagnetische Induktion. Erst mit ihr waren elektrotechnische Entwicklungen wie z.B. der Generator möglich, die schließlich im 19. Jahrhundert der Elektrik zum Durchbruch verhalfen. Von Faraday stammte auch die Vorstellung eines elektrischen Feldes. Mit der Feldvorstellung kann man die Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern, die sich nicht berühren, besser verstehen. Bereits Faraday sprach von "Schwingungen der Feldlinien in Wellenform", hatte also bereits eine Vorahnung von den elektromagnetischen Wellen. |
James Clerk MAXWELL Der Schotte James Clerk MAXWELL, ein begnadeter theoretischer Physiker, stellte die Ideen Faradays auf eine tragfähige mathematische Basis. Maxwell leitete auf theoretischem Weg Beziehungen zwischen sich verändernden elektrischen und magnetischen Feldern her. Aus den von ihm im Jahre 1864 veröffentlichten maxwellschen Gleichungen ließ sich ableiten, dass es möglich sein müsste, Energie durch elektromagnetische Wellen in den Raum hinaus abzustrahlen. Mit dem ihm damals zur Verfügung stehenden Mitteln, berechnete Maxwell eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen von 310.740.000 m/s. Er schrieb damals: „This velocity is so nearly that of light, that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws.“ Für das Vakuum lauten die maxwellschen Gleichungen: \({\rm{rot}}B = {\varepsilon _0} \cdot {\mu _0} \cdot \dot E\quad {\rm{und}}\quad {\rm{rot}}E = - \dot B\) Zum Verständnis dieser Gleichung fehlen in der Schule die nötigen mathematischen Kenntnisse. Anschaulich gesprochen bedeuten sie, dass ein sich änderndes Magnetfeld von einem elektrischen Feld umschlossen ist, und ebenso ein sich änderndes elektrisches Feld von einem Magnetfeld umfasst wird. Es besteht also ein Kopplungsmechanismus zwischen E- und B-Feld mit dem die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen verstanden werden kann. Es sei noch darauf hingewiesen, dass man aus den Maxwell-Gleichungen die sogenannte Wellengleichung \(\Delta E = {\varepsilon _0} \cdot {\mu _0} \cdot \ddot E\) herleiten kann, deren einfachste Lösung \(E(t,x) = \hat E \cdot \sin \left[ {2 \cdot \pi \cdot \left( {\frac{t}{T} - \frac{x}{\lambda }} \right)} \right]\)eine sich in x-Richtung ausbreitende Sinuswelle ist. |
Heinrich HERTZ (1857 - 1894) Etwa zwanzig Jahre später gelang es dem Physiker Heinrich HERTZ die vorhergesagten elektromagnetischen Wellen zu erzeugen und nachzuweisen. Das war die Geburtsstunde des Rundfunks. Hertz baute ein Gerät, mit dem man Funken erzeugen konnte - den Sender. Und er baute ein Gerät, mit dem man ein Signal empfangen konnte. Bei einem bestimmten Abstand der Elektroden ist der Empfänger in Resonanz zum Sender. Dann wird besonders viel Energie vom Sender auf den Empfänger übertragen. Hertz versuchte der Natur dieser elektromagnetischen Wellen auf die Spur zu kommen. Er wies nach, dass sich elektromagnetische Wellen ähnlich wie Lichtwellen verhalten, z. B. reflektiert und gebrochen oder von einem Hohlspiegel gesammelt werden. |
Der Induktor besteht aus zwei Spulen, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Eine der beiden Spulen ist über einen Schalter an eine Batterie angeschlossen. Immer wenn dieser Stromkreis unterbrochen wird, entsteht durch Induktion zwischen den Anschlüssen der zweiten Spule - und damit auch an der Funkenstrecke - eine hohe Spannung. Immer wenn an der Funkenstrecke des Senders ein Funke überspringt, ist auch an der winzigen Funkenstrecke des Empfängers ein Funken zu beobachten.
Heinrich Hertz untersucht die Reflexion elektromagnetischer Wellen
Originalzeichnungen des Dipolfeldes von H. Hertz
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Guglielmo MARCONI (1873-1938) Der Italiener Guglielmo MARCONI setzte die Versuche von Hertz fort. Bei einem ähnlichen Sender wie dem von Hertz baute er in den Senderstromkreis einen Taster ein und konnte so Morsesignale übertragen, ohne auf Telegrafenleitungen angewiesen zu sein. 1901 gelang ihm eine Funkverbindung von Europa über den Atlantik nach Amerika. Die Bedeutung der drahtlosen Übermittlung von Morsezeichen wurde schnell erkannt. Die Industrie und das Militär steckten Gelder in die Verbesserung der Sende- und Empfangsanlagen. Schiffe konnten schon bald über mehrere tausend Kilometer sicher erreicht werden. |
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In dem untenstehenden Bild ist ein Sende- und Empfangsanlage von Marconi dargestellt: Ein Funkenstrecke wurde von einem Funkeninduktor gespeist. In dem offenen Schwingkreis der Sendeantenne entstehen bei Funkenübergang hochfrequente Schwingungen. Man kann die Sendeantenne als die obere Hälfte eines in der Grundschwingung erregten stabförmigen Dipols auffassen. Auf der mehr oder weniger gut leitenden Erde werden Ladungen influenziert.
Der Empfangsteil besteht aus einer Antenne, in die ein sogenannter Kohärer als Wellenindikator eingeschaltet war. Im Kohärer befinden sich Metallspäne, deren Widerstand im Normalzustand so groß ist, dass die Batterie B1 das Relais nicht betätigen kann. Treffen jedoch Wellen auf die Empfangsantenne, so werden durch die Fünkchen im Kohärer die Späne zusammengebacken (Übergangswiderstand sinkt), so dass schließlich das Relais anzieht. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis durch eine Erschütterung des Kohärers die Späne wieder getrennt werden. Diese Erschütterung wird durch eine elektrische Klingel erreicht, welche durch das Relais eingeschaltet wird. |
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Die Ausbreitung der Wellen geschieht im Wesentlichen längs der Erdoberfläche. Der Vorteil des einseitig geerdeten Sendedipols ist die geringere notwendige Länge. In der Grundschwingung gilt l =¼·λ . |
Bei der Marconi-Anlage ist der Sendekreisschwingkreis stark gedämpft. Mit Hilfe einer Vakuumtriode gelang es Meissner 1913 schließlich ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen zu erzeugen. Auf diese Weise standen schließlich leistungsfähige Hochfrequenzgeneratoren mit starker Sendeleistung zur Verfügung durch die - in der damaligen Zeit wichtig - die Verbindung zwischen Mutterländern und Kolonien hergestellt wurde. Das "Herz" dieser Hochfrequenzgeneratoren und der Empfänger waren Schwingkreise, Parallelschaltungen eines Kondensators und einer Spule. Sie bestimmen, mit welchen Frequenzen gesendet oder welcher Sender empfangen wird.
Weitere wichtige Stationen der Informationsübertragung mit elektromagnetischen Wellen:
- 1925 Erste Versuche zur drahtlosen Bildübertragung
- 1933 Radar für die Ortung von Flugzeugen und Unterseeboten
- 1936 Erste Fernsehbilder zur Olympiade 1936 in Berlin
- 1964 Erster Fernsehsatellit
- 1967 Erstes Farbfernsehen